煤層氣井脈沖徑向鉆孔與雙脈動水力壓裂方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及石油天然氣開采領域，是一種煤層氣井增產方法，具體為一種煤層氣井脈沖徑向鉆孔與雙脈動水力壓裂方法。
【背景技術】
[0002]煤層氣是一種與煤伴生，以甲烷為主要成分的可燃性氣體，是一種潛力巨大清潔能源。我國煤層氣資源極為豐富，地下2000米以淺的煤層氣資源量超過36萬億方，占世界煤層氣總資源量的10%以上，位居全球第三，僅次于俄羅斯和加拿大。有效開發煤層氣等非常規油氣資源，有助于降低我國油氣對外依存度，緩解和改善能源生產和消費結構。
[0003]近幾年，國內少數煤層氣井產量的突破標志著我國煤層氣產業進入了高速發展的初期階段，但是，我國煤層大都具有非均質性強，“低壓、低滲、低飽和”缺陷嚴重，構造煤發育等特點，這決定了我國煤層氣井在投產前必須采取一定的增產措施。水力壓裂是目前煤層氣井增產的主要技術手段:水平井分段壓裂技術具有增產效果好，壓后穩產周期長的優點，但是施工難度大、成本高、建井周期長的缺陷，限制了其現場應用:直井套管壓裂技術雖然增產效果相對較差，但相對低廉的施工成本使其成為目前煤層氣井的主力增產措施。因此，以直井套管壓裂為基礎，發展出適宜我國煤層氣藏地質特點的高效完井增產技術，成為提高煤層氣單井產能的關鍵。目前，有兩項新型完井增產技術體現出了巨大的潛力:一種是徑向井技術，另一種是脈動水力壓裂技術。
[0004]徑向井技術是在超短半徑水平井技術的基礎上，衍生出來的儲層改造新技術，是指在主井筒或者擴徑后的主井筒中，利用一定的裝置和設備，沿徑向鉆開若干小尺寸井眼的技術措施，該項技術能增大井筒影響范圍，降低近井地帶滲流阻力，一定程度上達到水平井的效果，但該項技術存在無法進行分段壓裂，卸壓范圍小的局限性。
[0005]煤層脈動水力壓裂技術是近幾年來，為強化煤層瓦斯抽采效果而提出的一項新技術，該技術利用液體的脈動能量，反復錘擊煤層，使煤巖產生疲勞破壞和剪切破壞，而形成體積縫網及卸壓區，但壓裂液的脈沖能量在天然裂縫和節理發育的煤層中衰減嚴重，作用范圍有限，這嚴重限制了其現場應用。
[0006]鑒于此，本發明針對煤層氣井提出了脈沖徑向鉆孔與雙脈動水力壓裂方法及整套施工方案，該方法立足于直井套管完井，結合徑向鉆孔與脈動水力壓裂雙重增產措施，可望在煤層中形成大范圍體積縫網，大幅增加煤層滲透性，提高煤層氣單井產能，為經濟高效開采煤層氣資源提供了一種行之有效的方法。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種新的煤層氣井增產方法，緩解我國煤層氣單井產能低，經濟性差的問題，為經濟高效開采我國煤層氣資源，優化我國能源產業結構，提供新的技術路線。
[0008]本發明結合了徑向井和脈動水力壓裂的技術優勢，用徑向井代替常規水力壓裂所產生的主裂縫，聯合井上脈動栗組和井下脈沖發生器所產生的不同形式的壓力波動，在煤層深部形成兼具低頻錘擊和高頻振蕩的雙脈動壓裂施工，反復錘擊、振蕩煤層，迫使煤巖產生疲勞破壞和剪切破壞，在煤層中形成大范圍應力擾動，產生大規模體積縫網并延伸一定長度，可望大幅提高近井地帶滲透率，強化應力釋放效果，而達到煤層氣井增產、穩產的目的。
[0009]為實現上述目的，本發明提出了相應的整套施工方案，主要包括以下步驟:在煤層氣井儲層段，利用現有的技術手段，進行套管開窗，利用普通油管下入導向裝置；隨后，從普通油管中，通過連續油管下入帶有脈沖發生器和多孔噴嘴的高壓軟管，在井下產生多股高壓脈沖射流，帶動高壓軟管在煤層中快速鉆進，形成具有一定長度，井壁微裂縫充分發育的徑向井眼；然后，從連續油管內投球形成憋壓，剪斷限位銷釘，分離多孔噴嘴；最后，利用高壓栗和脈動栗組分別從連續油管和油套環空中注入壓裂液，在徑向井中形成兩種不同形式的壓力波動并疊加，形成兼具低頻錘擊和高頻振蕩效果的雙脈動壓裂施工，大規模沖擊、破壞煤層，達到體積壓裂的目的。
[0010]本發明的優點為:
[0011]1、本發明利用葉輪式脈沖發生器和多孔噴嘴，在井下產生多股高壓脈沖射流破碎煤巖，能夠有效提高徑向井鉆進速度，節約作業時間；同時，在鉆進過程中，脈沖射流能在井眼內形成壓力波動，在徑向井井壁及周圍小范圍內形成微裂縫，達到預壓裂的效果。
[0012]2、利用脈沖能量沖擊煤層，能有效降低煤巖的起裂壓力，從而降低壓裂施工對地面設備的要求；同時，周期性的水力錘擊和高頻振蕩作用，能在煤層中產生反復交替的應力，迫使煤巖產生疲勞破壞和剪切破壞，形成大面積體積縫網，并有效溝通節理和天然裂縫，大幅增加煤巖滲透性。
[0013]3、脈沖發生器所產生的壓力波動直接作用于徑向井端部，有效緩解了波動能量在天然裂縫發育的煤巖中損失嚴重的問題，可增大壓裂施工波及范圍，提高脈動壓裂效果。
[0014]4、徑向鉆孔時產生的脈沖和壓裂時的井下脈沖源于同一脈沖發生器，兩個過程在井下直接完成轉換，工具利用率高，作業時間短。
[0015]5、多支徑向井眼施工采用從下往上，螺旋布孔，鉆一支壓一支的方式，該施工方式能集中能量于一支徑向井眼上，在其周圍形成更大范圍的破碎區，不同徑向井眼的多個區域組合能在整體上增大脈動壓裂施工的影響范圍，溝通整個縱向儲層。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明現場施工示意圖；
[0017]圖2為多支徑向井眼空間螺旋式分布示意圖；
[0018]圖3為葉輪式脈沖發生器與高壓噴嘴的爆炸視圖；
[0019]圖4為脈沖發生器本體結構圖。
[0020]附圖符號說明:
[0021]1、脈動栗組；2、連續油管；3、高壓栗；4、連續油管卷盤；5、地層；6、水泥環；7、套管；8、普通油管；9、導向器；10、高壓軟管；11、煤層；12、脈沖發生器和多孔噴嘴；13、主井筒；14、徑向井筒；15a-15b、銷釘；16a_16b、銷釘孔；17、主噴射孔；18、副噴射孔；19、球座；20、多孔噴嘴本體；21、葉輪軸；22、葉輪；23、葉輪軸孔；24、銷釘槽；25、脈沖發生器本體；26、葉輪擋板；27、導流斜面。
【具體實施方式】
[0022]本發明提出了一種煤層氣井脈沖徑向鉆孔和雙脈動壓裂的方法，同時，公開了相應的井下工具與整套施工方案，為增大煤層滲透性，增加煤層氣井產能，延長穩產周期，經濟、高效開采煤層氣提供了一種新的技術手段。下面結合附圖對本發明的井下工具和施工流程作進一步的描述:
[0023]首先，在套管完井的煤層氣井主井筒(13)中，利用套管開窗技術，在指定位置和指定方位進行套管開窗；開窗完成后，利用普通油管(8)下入導向器(9)，定位、定向并固定；從普通油管中下入連續油管(2)，連續油管下端連接帶有葉輪式脈沖發生器(25)和多孔噴嘴(20)的高壓軟管(10);利用高壓栗(3)向連續油管(2)中注入高壓流體，高壓流體流經高壓軟管(10)，經導流斜面(27)引導后，推動葉輪(22)轉動，葉輪葉片周期性的介入主流道，使多孔噴嘴(20)產生多股高壓脈沖射流，帶動高壓軟管(10)快速破碎煤巖，形成具有一定長度，井壁微裂縫充分發育的徑向井眼(14)。
[0024]獲得預定徑向進尺后，繼續噴射一段時間，將井下煤肩循環出井并在多孔噴嘴
(20)前端形成一定空穴，停栗；從連續油管內投球并開栗，在水流的推動下，投球通過葉輪上部的擋板(26)，落在多孔噴嘴(20)前的球座(19)上；向井中栗注高壓流體，形成憋壓，當井內壓力達到一定值時剪斷銷釘(15)，釋放多孔噴嘴(20)。
[0025]然后，在油套環空接入脈動栗組(1)，與高壓栗(3)同時向井中注入壓裂液，在井下形成兩種不同形式的壓力波動并疊加，在煤層中產生周期性的應力擾動，反復錘擊和振蕩煤層，使煤巖產生疲勞破壞和剪切破壞，形成大規模體積裂縫并延伸一定長度和范圍，此時，一支徑向井眼的鉆進和壓裂施工完成，下入橋塞封隔徑向井眼，重復上述步驟進行下一支徑向井眼的施工作業。
[0026]若干支徑向井眼采用從下到上，空間螺旋展布的布孔方式，并采用鉆開一支壓裂一支的施工程序，所有徑向井眼施工結束后，提出井內工具和管柱并循環洗井，完成整個壓裂施工。
[0027]以上所述【具體實施方式】僅為本發明較佳實施方案，并不用以限制本發明的范圍，在本發明原則和思想的基礎上，所作的同等替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種煤層氣井脈沖徑向鉆孔與雙脈動水力壓裂方法，以及整套施工方案，其系統組成主要包括:連續油管作業機、高壓栗、脈動注水栗組、導向器、高壓軟管、脈沖發生器、多孔噴嘴等，其特征在于:利用脈沖發生器和多孔噴嘴，在井下產生多股高壓脈沖射流，在煤層中鉆開一支徑向井眼，隨后從連續油管中投球憋壓，分離多孔噴嘴，最后利用高壓栗和脈動栗組，分別從連續油管和油套環空中同時栗注壓裂液，進行雙脈動壓裂施工。2.根據權利要求1所述的方法，其中脈沖發生器為葉輪式脈沖發生器，特征在于:葉輪上部覆有帶割槽的擋板，擋板與導流斜面連接，在不影響工作液推動葉輪轉動的同時，避免了投球與高速旋轉的葉輪發生碰撞。3.根據權利要求1所述的方法，其所述雙脈動壓裂施工，特征在于:脈動栗組產生低頻率、高振幅壓力波動，井下脈沖發生器產生高頻率、低振幅壓力波動，兩種不同形式的壓力波動在井下共同作用，完成雙脈動壓裂施工。4.多支徑向井眼采用沿主井筒從下至上、螺旋展布的方式，一支徑向井眼壓裂完成后，下入橋塞封隔，再開展下一支徑向井眼的鉆進和壓裂，依此類推，依次進行。
【專利摘要】一種煤層氣井脈沖徑向鉆孔與雙脈動水力壓裂方法，及整套施工方案。該方法配套設備包括：連續油管作業機，高壓泵，脈動泵組，導向器，脈沖發生器，多孔噴嘴等。在煤層氣井中，利用脈沖發生器和多孔噴嘴，產生多股高壓脈沖射流，帶動高壓軟管快速鉆進煤層，形成一定長度的徑向孔眼；隨后，從連續油管內投球憋壓，剪斷銷釘，分離多孔噴嘴；最后，利用高壓泵和脈動泵組分別從連續油管和油套環空中同時泵入壓裂液，脈沖發生器產生高頻率、低振幅壓力波動，脈動泵組產生低頻率、高振幅壓力波動，形成兼具低頻錘擊與高頻振蕩效果的雙脈動壓裂施工，沖擊、破壞煤層，最終實現體積壓裂，達到大幅提升煤層滲透率、增加煤層氣井單井產能的目的。
【IPC分類】E21B43/26
【公開號】CN105464638
【申請號】CN201510711377
【發明人】黃中偉, 張宏源, 李根生, 陸沛青, 田守嶒, 李小江
【申請人】中國石油大學(北京)
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年10月29日